INS13204 GENEL JEOFİZİK VE JEOLOJİ

Transkript

1 1 INS13204 GENEL JEOFİZİK VE JEOLOJİ Dr.Öğr. Üyesi Orhan ARKOÇ e-posta: Web :

2 2 BÖLÜM 11 Tünel Jeolojisi

3 3 Tüneller Tünel ler; herhangi bir ulaştırma işleminin gerçekleştirilebilmesi amacıyla yapılan ve her iki ucu zemin yüzeyine açılan, dışarıyla bağlantılı olan açılmış yapay yeraltı geçitleri ya da yeraltı açıklıklarıdır. Tüneller, yer altında yapılacak kazı ile istenilen kesitte boşluk oluşturulması ve desteklenmesi ile inşa edilen yapay yeraltı yapıları olarak da tanımlanmaktadır.

4 4 Tüneller, insan veya malzemenin zaman, emniyet ve ekonomik açıdan yararlı şekilde en kısa yoldan iletiminin sağlanması için inşa edilirler. Tünel tanımındaki ulaştırma işlemi, karayolu tüneli, metro gibi trafik ulaşımı baraj derivasyonu, kanalizasyon gibi su-malzeme iletimini yer altından daha kısa veya amaca uygun olarak istenilen bir yolla sağlanması anlamındadır.

5 5

6 6

7 7

8 8

9 9 Tünel ve galerilerde kullanılan terimler Tipik bir tünelde, tünel tavanından yeryüzüne kadar olan kısma örtü, kalınlığa örtü kalınlığı, tek tarafı açık kazıları ise galeri ismi verilir. Düşey olarak yapılan kazılara şaft, baca ya da kuyu, yukarı doğru eğimli olanlarına baş yukarı, aşağıya eğimli olanlarına baş aşağı, aynı tünel ya da galeride normal genişlik ve yükseklikten fazla kazılmış kısımlar oda olarak isimlendirilir. Kazılarda kazı sonunda çıkan artık malzemeye pasa, yol güzergâhında bulunan tünellerin giriş ve çıkış yüzlerine portal denir.

10 Tünel ya da galerinin en kesiti göz önüne alındığında kazı boşluğunun alt kısmına taban, üst kısmına tavan (kemer), yan kısımlara ayak (duvar), tavanın ayaklarla birleştiği kısma üzengi, üzengileri birleştiren çizgiye üzengi düzeyi, üzengi düzeyi ile tavan arasında kalan kısma kalot, üzengi düzeyi ile taban arasındaki kısma stros, tünel çalışması sırasında bir kerede açılan tünel uzunluğuna ise ano denmektedir. 10

11 11 TÜNEL JEOLOJİSİ ÇALIŞMALARI Bir Tünel açılması sırasında yapılan jeolojik çalışmalar aşağıdaki gibi sınıflandırılır; a)ön jeolojik araştırmalar b) Ayrıntılı jeolojik araştırmalar c) Tünel açılırken yapılan çalışmalar d) Tünel açıldıktan sonra yapılan çalışmalar

12 12 a) Ön Jeolojik Çalışmalar- Jeoloji- Mühendislik Jeolojisi modelinin oluşturulması Tünel güzergahının belirlenmesine yönelik çalışmalardır. Güzergah ve dolayında yüzey jeolojisi araştırmalarına odaklanır. Litolojik özellikleri Yapısal özellikleri Örtü kalınlığı ve doğal gerilmeler Kayaçların mühendislik özellikleri Hidrojeolojik özellikler Isı sorunu Gaz sorunu Depremsellik

13 13 b) Ayrıntılı jeolojik araştırmalar Ayrıntılı jeolojik araştırmalar; Yeraltı araştırmaları; sondaj, yarma, kuyu, galeri ve jeofizik yöntemlerini içerir. Kayaçların; Litolojik ve petrografik özellikleri Ayrışma derecesi ve derinliği, Sertlik ve kazılabilirlik

14 14 Süreksizliklerin mühendislik özellikleri Yeraltı su seviyesi, kaynaklar, suların kimyasal bileşiminin beton ve çimentoya etkileri, debileri ve ısıları, ortamın geçirgenliği Kayaçların suya karşı hassasiyetleri (erime, şişmekabarma, karstlaşma) Sondaj ve kazılarda arazi deneyleri, alınan örneklerde ise laboratuar deneyleri ile fiziksel ve mekanik özelliklerin tayini Kazı malzemesinin (pasa), kaplamalarda agrega olarak kullanılabilirliği Tünel destek türleri ve yerleri Kazı yöntemi ve makine seçimi hakkında ayrıntılı sayısal veriler toplanır.

15 15 c)tünel Açılırken Yapılan Çalışmalar Tünel güzergahının harita ve kesitlerinin oluşturulması (1/100 1/50 ölçekli)

16 (doğrultu-eğim) ölçülmesi ve kesitlere işaretlenmesi 16

17 17 Taban, tavan, yan duvarlar ve aynada görülen yapısal ve litolojik özelliklerin harita ve kesitlere işlenmesi Açım sırasında karşılaşılan sorunların türleri (kaya patlaması, aşırı sökülmeler), ve yerlerinin kesitlere işlenmesi. Su gelirleri, debileri ve kimyasal analizler Taban, tavan, yan duvarlar ve aynada görülen süreksizliklerin özelliklerinin, konum ve geometrilerinin işlenmesi

18 18

19 19 TÜNEL AÇILMASI SIRASINDA MALİYETİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER 1- Tünel güzergahının jeolojik ve hidrojeolojik durumu 2 -Tünelin desteklenmesi ve destek türü 3 -Tünelin yüzeyden derinliği 4 -Tünelin çapı ve şekli 5 -Tünelin uzunluğu 6 - İşçilik 7 - Çalışılan günler 8 - Makine arızaları

20 20 Kaya ortamlarda tünel açma durumunda kullanılan Kaya Kütle Sınıflama sistemleri Kaya kütle sınıflama sistemleri eğer belirli koşullar yerine getirilirse; gözlem, ölçüm, tecrübe ve mühendislik yargıları sonucu elde edilen bulguların birleştirilmesiyle, niceliksel (sayısal) olarak kaya kütlesi özelliklerini ve tahkimat gereksinimlerini ön tasarım safhasında belirlemek için kullanılır (Bieniawski, 1984).

21 Sınıflama sistemlerinin mühendislik uygulamalarında sağladığı yararlar şunlardır; 21 1) Belirli bir bölgede bulunan kaya kütlelerini aynı davranışı gösterecek gruplara ayırmak, 2) Her bir grubun özelliklerini anlayabilmek için bir temel oluşturmak, 3) Tasarım için sayısal veriler sağlamak, 4) Kaya mühendisleri arasında iletişimi sağlamak için herkesin kullanabileceği ortak bir temel oluşturmak.

22 Sınıflama sistemlerinin, yukarıda belirtilen yararları sağlamak için şu özelliklere sahip olması gerekir; 1) Basit, kolayca hatırlanabilme ve anlaşılabilmelidir. 2) Kullanılan her terim açık ve mühendislikte kabul edilen bir şekilde anlatılmalıdır. 3) En önemli kaya özelliklerini içermelidir. 4) Arazide ucuz ve çabuk yapılabilecek deneyler sonucu elde edilen ve ölçülebilir verilere dayanmalıdır. 5) Sınıflama parametrelerinin göreceli önemini tartabilen bir değerlendirme sistemine sahip olmalı 6) Kaya tahkimat tasarımı için sayısal veri sağlayacak şekilde kullanılabilmelidir. 22

23 SINIFLAMA SİSTEMİNDE KULLANILAN DEĞİŞKENLER Sınıflama sistemlerinin bir çoğunda aşağıda belirtilen değişkenler kullanılmaktadır; 1) Kayanın basınç dayanımı, 2) Kaya kalite belirteci, RQD, 3) Süreksizliklerin: a) Aralığı, b) Durumu (pürüzlülük, devamlılık, dolgu maddesi) c) Konumu (doğrultusu, eğim ve yönü) 4) Yer altı suyu durumu 5) Çevre etkileri a) Gerilmeler, b) Kazı türü, c) Ana süreksizlik düzlemlerin etkisi. 23

24 24 Kaya basma dayanımı bir çok sınıflama sisteminde göz önüne alınmıştır. Bunun nedeni, kaya kütlesi dayanımın, bir ölçüde süreksizliklerle bunların arasında yer alan kaya dayanımına bağlı olmasıdır. İkinci yaygın kullanılan parametre Kaya Kalitesi Belirteci (Rock Quality Designation-RQD) dir. Süreksizlik özelliklerinden bir bölümü içermesi bakımından önem taşır. Yeraltı suyu durumu ve diğer çevre etkilerinden kaya kütlesi dayanımı ve davranışına belirli ölçüde etkisi vardır.

25 25 Bu bölümde, yaygın olarak bilinen sınıflama sistemlerinden aşağıda belirtilen üç tanesi yer verilecektir: 1) Terzaghi (1946) tarafından önerilen kaya yükü yüksekliği adı verilen sınıflama sistemi, 2) Bieniawski (1973) tarafından önerilen Jeomekanik Kaya-Kütlesi Sınıflama sistemi (RMR Sistemi) 3) Barton ve ark. (1974) tarafından önerilen Q sınıflama sistemi

26 26

27 27

28 28

29 29 Kaya Yükü (Terzaghi) Sınıflaması Terzaghi 1946 yılında, çelik destek sistemlerine uygun olarak geliştirilen ilk gerçekçi sınıflama yöntemini ortaya koymuştur. Bu önemli bir gelişmeydi çünkü tünel kazılarında çelik destekler o tarihte 50 yıldır kullanılıyordu. Laboratuvarda kum kullanarak yaptığı fiziksel modellere ve Alplerde çelik-bağ tahkimatlı tünellerdeki tecrübelerine dayanarak, çeşitli kaya türlerini tanımlamış ve bu türler için tahkimat üzerine gelecek kaya yükü sınırlarını belirlemiştir.

30 30 Sınıflama çelik desteklerle desteklenen tünellerin üzerindeki kaya yüklerini tahmin etmek için tasarlanmıştır ve püskürtme beton, kaya bulonu gibi yöntemlerin kullanıldığı modern tüneller için uygun değildir. Terzaghi nin tanımlamasından sonra çeşitli araştırmacılar tarafından bazı değişikler yapılmış ve şimdi kullanımda olan son hali aşağıda verilmiştir.

31 31

32 32

33 Bieniawski nin Jeomekanik Kaya Kütlesi Sınıflama Sistemi (RMR)(Rock Mass Rating System) Jeomekanik kaya kütle sınıflama sistemi veya kaya kütlesi değerlendirme (RMR) sistemi Bieniawski (1973) tarfından ortaya konulmuş, daha sonra üzerinde bazı değişiklikler yapılarak geliştirilmiştir. 33 Bu sınıflama sisteminde, aşağıda sıralanan ve sahada ölçülebilen veya sondaj verilerinden elde edilebilecek, altı değişken kullanılır:

34 34 a) Kaya örneğinin tek eksenli basınç dayanımı, b) Kaya kalite belirteci (RQD) c) Süreksizlik aralığı, d) Süreksizliklerin durumu, e) Yer altı suyu durumu, f) Süreksizliklerin konumu RMR sistemini uygulamak için, araştırma yapılan galeri veya tünel boyunca kaya kütlesi yeterli sayıda yapısal bölgelere ayrılır. Yapısal bölgeler, içlerinde kaya yapısının aşağı yukarı aynı zonlardır. Yukarıda belirtilen altı parametre değerleri her yapısal bölge için ölçümlerden belirlenerek standart jeoteknik veri toplama formlarında veya sondaj loglama formlarına işlenir.

35 35

36 36

37 37

38 38

39 39

40 40

41 41

42 42

43 43

44 44

45 45 RMR sınıflaması Kaya Kütle Değerlendirmesi (RMR, Rock Mass Rating)

46 46

47 47

48 48 Kaya kütlesi kalitesi (Q- Sistemi) Q-sistemi 1974 yılında Norveç Jeoteknik Enstitüsü araştırmacılarından Barton, Lien, ve Lunde tarafından geliştirilen bir kaya sınıflama sistemidir. İskandinavya'da 200'den fazla maden galerisi ve tünelde yapılan incelemelere dayanmaktadır. Q-sistemindeki kaya kütlesinin değerlerini belirten Q sayısı aşağıdaki eşitlik yardımıyla bulunur. Bu formülasyonda; RQD: Kaya kalite değeri Jn: Süreksizlik takım sayısı Jr: Süreksizlik pürüzlülük durumu Ja: Süreksizlik ayrışma durumu Jw: Süreksizlik suyu indirgeme değişken faktörü SRF: Gerilme indirgeme katsayısı

49 49

50 50

51 51

52 52

53 53

54 54

55 55

56 56

57 57

58 58

59 59 Tünel Açılması Sırasında Karşılaşılan Sorunlar a) Kemerlenme b) Aşırı Sökülme c) Kaya Patlaması d) Yeraltı suyu e) Isı f) Gaz

60 60 KEMERLENME-AŞIRI SÖKÜLME-KAYA PATLAMASI Ana etmen doğal gerilmelerdir. Kazı sonucu, doğal gerilmelerin yer, yön ve şiddeti değişir. Oluşan yeni gerilmelere ikincil gerilme adı verilir. İkincil (sekonder) gerilme koşulları altında; Tünel yan duvarları, taban ve tavanında sert kayaçlarda kaya patlamaları ve aşırı sökülme ayrımış ve yumuşak kayalarda şişme ve kabarma türü olaylar ile karşılaşılabilir.

61 61 Kayaçların içerisinde bulunan gerilmeler; Yerçekimi gerilmesi Su basıncı Buzul erimesi, Kayaların erozyonu Tektonik hareketler Magmatik faaliyetler Metamorfizma Yeniden kristallenme

62 62

63 63

64 64

65 65 a) Kemerlenme Yeraltı kazısı yapıldığında, kazı boşluğunun etrafındaki kayalar gerilmelerin etkisi ile açılan boşluğa doğru hareket etmek isterler. Bu hareket, süreksizlikler boyunca kayaların birbirlerine dayanması ile bir dereceye dek kendiliğinden önlenir ve denge oluşur. Bu denge haline kemerlenme adı verilir. Kemerlenme; kayalarda açılan boşlukların destek (iksa) gerekmeden durabilme özelliği olarak da tariflenir. Kemerlenme; litolojik ve yapısal özelliklere, yapısal özelliklerin (süreksizlikler: fay, tabakalanma düzlemi, kıvrım eksenleri, vb.) doğrultu eğimi ile tünel doğrultusu arasındaki ilişkiye,desteksiz kalan kısmın uzunluğuna bağlı olarak değişir

66 66 Yeraltında açılan bir boşluk çevresinde 3 zon oluşur. Bu zonlar dıştan içe doğru; 1. Elastik Bölge (Kazıdan etkilenmemiş) 2. Koruyucu bölge 3. Plastik bölge (gevşeme zonu) Gevşeme zonunun mekanik dayanım parametreleri (kohezyon, c ve içsel sürtünme açısı, f), elastik bölgeninkinden daha küçüktür. Kazı kesitinin şekli gerilme dağılımı üzerinde etkilidir. Köşeli kesitlerde gerilme yoğunlaşması yüksektir. Duraylık açısından risk oluşturur. Oysa dairesel kesitli tünellerde, gerilme kemerlenmesi büyük gerilme yoğunlaşması olmaksızın oluşur.

67 67 b)aşırı sökülme Yeraltı kazılarında profil fazlası kazılara aşırı sökülme ismi verilir. Olması istenmeyen bir olaydır ve maliyet artışında en önemli faktördür. A çizgisi: Açılmak istenen tünelin çeperine teğet olan çizgidir. B çizgisi: A çizgisi ile kazılan tünel ortasından geçen çizgidir. Ödeme çizgisi olarak da adlandırılır. B çizgisi dışında kalan kazılar için ödeme yapılmaz. Aşırı sökülmenin diğer bir tarifi de; B çizgisi dışında kalan dökülme, oyulma ve kazılardır. Bu tür aşırı sökülmelere profil fazlası da denir.

68 68 c) Kaya patlamaları Doğal gerilmeler etkisinde bulunan kayalarda açılan tünellerde, kazı türü ve hızına bağlı olarak, tavan, taban ve yan duvarlardaki kayaların aniden patlayarak kazı boşluğuna düşmesi olayıdır. Küçük parçalar halinde ise; kaya fırlamaları büyük parçalar halinde ise; kapak atma adını alır. Mal ve can kaybına neden olur. Ek maliyet getirir. Doğal gerilmelerin yanı sıra jeolojik koşullarında rolü büyüktür. Farklı dayanıma sahip kayaların birlikteliği ve kırıkların varlığı etken faktördür..

69 69 d) Yeraltısuyu Yeraltı su seviyesi altında açılan tünellerde yeraltı suyu tünel içine hareket eder. Tünel drenaj galerisi gibi çalışır. Kayaçların permeabilitesi, süreksizlikleri ve kazı civarındaki karstik boşluklar (kireçtaşları) önemlidir. Sakıncaları aşağıdaki gibidir; Boşluk suyu basıncının oluşumu nedeniyle dayanım azalması. Eriyebilen ve şişen kayaçlar. Çalışma koşullarının zorlaşması. Mal ve can kaybı riski, maliyet artışı. Killi ortamlarda şişme ve kazı boşluğuna akma.

70 70 CaSO 4, NaSO 4, MgSO 4, H 2 S, CO 2 ve Ca(HCO 3 ) 2 içeren sular, desteklemede kullanılan çelik ve beton üzerinde olumsuz etki yapar. Bu maddelere; Jipsli Anhidritli Piritli Kömürlü ve kükürtlü sahalardan gelen sularda daha çok rastlanır.

71 71 e) ısı Yerkabuğunda, derine doğru her 100 metre sıcaklık 3 C derece artış gösterir. Çalışma koşullarını güçleştirir. Problemin çözümünde etkin yol havalandırmadır. Havalandırma; hava basan veya emen motorlarla (komprasör, aspiratör) tünele açılan bacalar ile sağlanır.

72 72 f) gaz Karbondioksit (CO2): %15-25 oranında öldürücü etki. %4-6 oranında solunum güçlüğü. Su ile reaksiyonunda karbonik asit, tünel kaplama ve metallerde korosiftir. Karbonmonoksit (CO): % den fazlası zehirlenmelere % oranı ise ölümlere yol açar. Metan (CH4):Hava ile karışımındaki oran %5 civarında ise patlayıcıdır (Grizu). Kükürtdioksit (SO2): Suda erimesiyle oluşan sülfiröz asit kaplama betonunu etkiler. Hidrojen sülfür (H2S): Havada %1 den az orandaki karışımı zehirleyicidir. %6 oranından fazla ise patlayıcıdır. Gazların olumsuz etkilerinden kurtulmanın etkin yolu havalandırmadır.

73 73

74 74 TÜNEL AÇMA YÖNTEMLERİ Tüneller Kaya ortam ve Zemin ortam yada her ikisinin de yer aldığı ortamlarda açılabilirler. a. Kayada tünel açma * Gerilmeler fazla * Duraylılık fazla * Geçici su sorunu * Masraf az b. Zeminde tünel açma * Gerilmeler az * Duraylılık az * Devamlı su sorunu * Masraf fazla Tüneller genel olarak üç yöntemle inşa edilir: a) Aç - Kapa b) Delme Patlatma c) Mekanize tünel açma

75 75 a) Aç-Kapa Tünel Açma Yöntemi Tünel inşası sığ olarak yapılması planlandığında bu yöntem tercih edilir. Kazı yapılarak tünel inşa edilir daha sonra kazı örtülerek inşaat tamamlanır.

76 76

77 77 b) Delme ve Patlatma ile Tünel Açma Yöntemi Bu yöntemde aşağıdaki iş sırası takip edilir. Tünel ve tünel kayası özelliklerine göre deliklerin açılması, Deliklere patlayıcı madde türlerine göre hesaplanmış miktarda patlatıcıların yerleştirilmesi, Patlatma sırasına göre deliklerin ateşlenmesi, Patlatma sonucu gaz ve tozların temizlenmesi için havalandırma yapılması Düşme tehlikesi olan blokların düşürülmesi, Koparılan malzemelerin ( pasa ) dışarı taşınması, Bu işlemler tünel bitene kadar tekrarlanır.

78 78 c) Mekanize Tünel Açma Yöntemleri Tünel açma makinelerinin genellikle; metro, otoyol, demiryolu tüneli inşaatları ve maden ocağı galerileri yapımında kullanılır.

79 79 Tünel açma makineleri (TAM-TBM) TAM-TBM ( Tunnel Boring Machine) denilen tünel açma makinaları yatırım maliyeti yüksek olsa da, istenilmeyen yeraltı hareketlerini önleme kabiliyeti, daha sessiz, titreşimsiz ve hızlı çalışması nedeniyle günümüzde tercih edilen kazı makineleri haline gelmiştir. İlk uygulaması 1856 yılında ABD. Sert, orta sert, yumuşak ve akıcı formasyonlar için kullanılabilen kafa dizaynları ve keski tipleri, makineyi dengeleme sistemleri, tahkimat sistemleri, çıkarılan pasayı taşıma sistemleri, çeşitli yönlerden farklılıklar göstermektedir. Açılacak yer altı boşluğu boyunca geçilecek formasyonların önceden tespiti, kullanılacak makinenin seçiminde en önemli faktörlerden biri olmaktadır.

80 Bu nedenle her proje için ayrı bir TBM dizayn edilir. 80

81 81

82 82

83 83 Tünellerde Yapılan Sağlamlaştırma Yöntemleri Püskürtme beton Tel kafes I profil Çelik hasır Ankraj Yalıtım Beton kaplama

84 Tel Kafes 84

85 Püskürtme beton 85

86 Ankraj 86

87 Ankraj, çelik hasır ve püskürtme beton 87

88 Yalıtım 88

89 Beton kaplama 89

90 90 BİR PROJE ÖRNEĞİ: Yapı Merkezi İzmir Metro Projesi

91 91

92 92

93 93

94 94

95 95

96 Earth Pressure Balance Machines (EPBMs) are shield machines specially designed for operation in soft ground conditions containing water under pressure. Loose sedimentary deposits with large boulders and a high water table will challenge ordinary TBMs 96

97 97